Консольные конструкции: принцип и применение.

Введение

Балка, закрепленная только на одном конце – фигурный элемент фигурного катания.

Консоль – это жесткий конструктивный элемент, который выступает горизонтально и не имеет опоры на одном конце. Обычно она выходит из плоской вертикальной поверхности, такой как стена, к которой она должна быть надежно прикреплена. Как и другие конструктивные элементы, консоль может быть выполнена в виде балки, плиты, фермы или плиты. Под воздействием структурной нагрузки на ее дальнем, неподдерживаемом конце, консоль передает нагрузку на опору, где она создает касающее напряжение и изгибающий момент. Конструкция с консолью позволяет создавать нависающие конструкции без дополнительной поддержки.

В мостах, башнях и зданиях

Кантилеверы широко используются в строительстве, особенно в кантилеверных мостах и балконах (см. корбель). В кантилеверных мостах кантилеверы обычно строятся парами, при этом каждый кантилевер используется для поддержки одного конца центральной секции. Мост Форт в Шотландии является примером кантилеверной ферменной конструкции. Выступающая часть в традиционном деревянном здании называется консолью или навесом. В южных Соединенных Штатах исторический тип сарая – это сарай-контилевер из бревен. Временные кантилеверы часто используются в строительстве. Частично возведенная конструкция создает кантилевер, но завершенная конструкция уже не работает как кантилевер. Это особенно полезно, когда невозможно использовать временные опоры или подмости для поддержки конструкции во время строительства (например, над оживленной дорогой или рекой, или в глубокой долине). Поэтому некоторые арочные мосты (см. мост Навахо) строятся с каждой стороны в виде кантилеверов, пока пролеты не сойдутся, после чего их разводят, чтобы создать предварительное напряжение сжатием, прежде чем окончательно соединить. Почти все вантовые мосты строятся с использованием кантилеверов, поскольку это одно из их главных преимуществ. Многие мосты с коробчатыми балками строятся сегментами, то есть из коротких секций. Этот тип конструкции хорошо подходит для симметричного кантилеверного строительства, когда мост возводится в обоих направлениях от одной опоры. Такие конструкции в значительной степени зависят от крутящего момента и углового равновесия для обеспечения устойчивости. В архитектуре, дом «Падающая вода» Фрэнка Ллойда Райта использует кантилеверы для создания больших балконов. Восточная трибуна стадиона «Элланд Роуд» в Лидсе, после завершения строительства, была самой большой в мире консольной трибуной, вмещающей 17 000 зрителей. Крыша над трибунами стадиона «Олд Траффорд» выполнена в виде кантилевера, чтобы опоры не загораживали вид на поле. Старый (уже снесенный) стадион в Майами имел аналогичную крышу над зрительской зоной. Самая большая консольная крыша в Европе находится в парке Сент-Джеймс в Ньюкасле-Апон-Тайне, на домашнем стадионе футбольного клуба «Ньюкасл Юнайтед».

Cantilevers are widely found in construction, notably in cantilever bridges and balconies (see corbel). In cantilever bridges, the cantilevers are usually built as pairs, with each cantilever used to support one end of a central section. The Forth Bridge in Scotland is an example of a cantilever truss bridge. A cantilever in a traditionally timber framed building is called a jetty or forebay. In the southern United States, a historic barn type is the cantilever barn of log construction. Temporary cantilevers are often used in construction. The partially constructed structure creates a cantilever, but the completed structure does not act as a cantilever. This is very helpful when temporary supports, or falsework, cannot be used to support the structure while it is being built (e. g., over a busy roadway or river, or in a deep valley). Therefore, some truss arch bridges (see Navajo Bridge) are built from each side as cantilevers until the spans reach each other and are then jacked apart to stress them in compression before finally joining. Nearly all cable stayed bridges are built using cantilevers as this is one of their chief advantages. Many box girder bridges are built segmentally, or in short pieces. This type of construction lends itself well to balanced cantilever construction where the bridge is built in both directions from a single support. These structures rely heavily on torque and rotational equilibrium for their stability. In an architectural application, Frank Lloyd Wright's Fallingwater used cantilevers to project large balconies. The East Stand at Elland Road Stadium in Leeds was, when completed, the largest cantilever stand in the world holding 17,000 spectators. The roof built over the stands at Old Trafford uses a cantilever so that no supports will block views of the field. The old (now demolished) Miami Stadium had a similar roof over the spectator area. The largest cantilevered roof in Europe is located at St James' Park in Newcastle Upon Tyne, the home stadium of Newcastle United F. C.

Менее очевидными примерами кантилеверов являются отдельно стоящие (вертикальные) радиомачты без растяжек и дымовые трубы, которые противостоят воздействию ветра за счет кантилеверного эффекта в их основании.

Самолет

Консольное крыло обычно используется в крыльях самолетов с фиксированным крылом. Ранние самолеты имели легкие конструкции, которые укреплялись расчалками и стойками. Однако эти элементы создавали аэродинамическое сопротивление, ограничивающее летные характеристики. Хотя консольное крыло тяжелее, оно позволяет избежать этой проблемы и обеспечивает более высокую скорость полета. Хьюго Юнкерс впервые применил консольное крыло в 1915 году. Всего через дюжину лет после первых полетов братьев Райт, Юнкерс стремился устранить практически все основные внешние элементы крепления, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление планера в полете. Результатом этих усилий стал Junkers J 1 – пионерский цельнометаллический моноплан конца 1915 года, изначально спроектированный с использованием цельнометаллических консольных крыльев. Примерно через год после первоначального успеха Junkers J 1, Райнхольд Платц из Fokker также добился успеха с консольным крылом сессикиплана, построенного из дерева – Fokker V.1. В консольном крыле по размаху крыла проходят одна или несколько прочных балок, называемых лонжеронами. Конец, жестко прикрепленный к центральному фюзеляжу, называется корневой частью, а противоположный конец – законцовкой. В полете крылья создают подъемную силу, а лонжероны передают эту нагрузку на фюзеляж. Для сопротивления горизонтальным сдвиговым напряжениям, возникающим из-за сопротивления или тяги двигателя, крыло также должно представлять собой жесткую консоль в горизонтальной плоскости. Конструкция с одним лонжероном обычно дополняется вторым, меньшим подкосным лонжероном, расположенным ближе к задней кромке и соединенным с основным лонжероном посредством дополнительных внутренних элементов или посредством натяжной обшивки. Крыло также должно противостоять силам кручения, что достигается диагональными связями или иным усилением основной конструкции. Консольные крылья требуют значительно более прочных и тяжелых лонжеронов, чем конструкции с расчалками. Однако с увеличением скорости самолета сопротивление расчалок резко возрастает, а конструкция крыла должна быть усилена, как правило, за счет увеличения прочности лонжеронов и толщины обшивки. На скоростях около 100 км/ч сопротивление расчалок становится чрезмерным, и крыло становится достаточно прочным, чтобы быть изготовленным как консольное без значительного увеличения веса. Увеличение мощности двигателей в конце 1920-х и начале 1930-х годов повысило скорости в этом диапазоне, и к концу 1930-х годов консольные крылья почти полностью вытеснили крылья с расчалками. Другие изменения, такие как закрытые кабины, убирающееся шасси, предкрылки и натяжная обшивка, способствовали революции в конструкции, ключевым моментом которой широко признана гонка MacRobertson England Australia 1934 года, которую выиграл de Havilland DH.88 Comet. В настоящее время консольные крылья практически универсальны, а расчалки используются только для некоторых более медленных самолетов, где приоритетом является меньший вес, а не скорость, например, в классе ультралегких самолетов.

The cantilever is commonly used in the wings of fixed wing aircraft. Early aircraft had light structures which were braced with wires and struts. However, these introduced aerodynamic drag which limited performance. While it is heavier, the cantilever avoids this issue and allows the plane to fly faster. Hugo Junkers pioneered the cantilever wing in 1915. Only a dozen years after the Wright Brothers' initial flights, Junkers endeavored to eliminate virtually all major external bracing members in order to decrease airframe drag in flight. The result of this endeavor was the Junkers J 1 pioneering all metal monoplane of late 1915, designed from the start with all metal cantilever wing panels. About a year after the initial success of the Junkers J 1, Reinhold Platz of Fokker also achieved success with a cantilever winged sesquiplane built instead with wooden materials, the Fokker V.1. In the cantilever wing, one or more strong beams, called spars, run along the span of the wing. The end fixed rigidly to the central fuselage is known as the root and the far end as the tip. In flight, the wings generate lift and the spars carry this load through to the fuselage. To resist horizontal shear stress from either drag or engine thrust, the wing must also form a stiff cantilever in the horizontal plane. A single spar design will usually be fitted with a second smaller drag spar nearer the trailing edge, braced to the main spar via additional internal members or a stressed skin. The wing must also resist twisting forces, achieved by cross bracing or otherwise stiffening the main structure. Cantilever wings require much stronger and heavier spars than would otherwise be needed in a wire braced design. However, as the speed of the aircraft increases, the drag of the bracing increases sharply, while the wing structure must be strengthened, typically by increasing the strength of the spars and the thickness of the skinning. At speeds of around the drag of the bracing becomes excessive and the wing strong enough to be made a cantilever without excess weight penalty. Increases in engine power through the late 1920s and early 1930s raised speeds through this zone and by the late 1930s cantilever wings had almost wholly superseded braced ones. Other changes such as enclosed cockpits, retractable undercarriage, landing flaps and stressed skin construction furthered the design revolution, with the pivotal moment widely acknowledged to be the MacRobertson England Australia air race of 1934, which was won by a de Havilland DH.88 Comet. Currently, cantilever wings are almost universal with bracing only being used for some slower aircraft where a lighter weight is prioritized over speed, such as in the ultralight class.

Применение химических датчиков

Химический датчик может быть получен путем нанесения слоя распознающего рецептора на верхнюю сторону луча микрокантилевера. Типичным применением является иммуносенсор, основанный на слое антител, который селективно взаимодействует с определенным иммуногеном и сообщает о его содержании в образце. В статическом режиме работы ответ датчика проявляется в изгибе луча относительно эталонного микрокантилевера. Альтернативно, микрокантилеверные датчики могут работать в динамическом режиме. В этом случае луч вибрирует на своей резонансной частоте, а изменение этого параметра указывает на концентрацию аналита. В последнее время были созданы пористые микрокантилеверы, обеспечивающие значительно большую площадь поверхности для связывания аналита, что повышает чувствительность за счет увеличения отношения массы аналита к массе устройства. Поверхностное напряжение на микрокантилевере, возникающее в результате связывания рецептора с целевым веществом и вызывающее отклонение луча, может быть проанализировано с помощью оптических методов, таких как лазерная интерферометрия. Zhao et al. также показали, что изменение протокола присоединения рецептора к поверхности микрокантилевера может дополнительно повысить чувствительность, если поверхностное напряжение, генерируемое на микрокантилевере, используется в качестве сенсорного сигнала.